【摘 要】
:
超导磁体体积小、运行时能节约大量能源,且能产生高强度磁场,具有很强的实用价值,在工业生产、医学、科学研究等领域应用广泛。环氧树脂作为一种绝缘材料,被用于封装超导磁体,能够限制超导线圈在电磁力作用下的移动,还起到提供机械强度、导热等作用,对超导磁体的稳定运行至关重要。但封装后的低温和高温超导磁体均面临一些实际问题。环氧树脂的强度低、韧性较差易产生裂纹,粘结性较差易发生脱粘,且环氧树脂在低温下的热导率
论文部分内容阅读
超导磁体体积小、运行时能节约大量能源,且能产生高强度磁场,具有很强的实用价值,在工业生产、医学、科学研究等领域应用广泛。环氧树脂作为一种绝缘材料,被用于封装超导磁体,能够限制超导线圈在电磁力作用下的移动,还起到提供机械强度、导热等作用,对超导磁体的稳定运行至关重要。但封装后的低温和高温超导磁体均面临一些实际问题。环氧树脂的强度低、韧性较差易产生裂纹,粘结性较差易发生脱粘,且环氧树脂在低温下的热导率极低。使得Nb3Sn与NbTi低温超导磁体极易出现失去超导性的问题,失去超导性后,需要大量人力物力重建超导环境,甚至可能损坏超导线圈。因此,研究新型的高性能的环氧树脂及其复合材料意义重大。对于如YBa2Cu3Ox(YBCO)的高温超导磁体,面临的主要问题是YBCO带材具有多层结构,易于出现环氧树脂引发的性能退化问题,严重限制了高温超导磁体的工程应用。因而,急需研究环氧树脂对YBCO超导磁体性能的影响机理与性能退化的解决方案。针对环氧树脂引发的低温超导磁体易于失去超导性的问题,本文通过配方设计、二维氮化硼纳米片改性两种方式,为Nb3Sn超导磁体制备了粘度低、力学性能好、玻璃化转变温度较高的环氧树脂材料。通过添加表面改性的高热导率填料,为NbTi超导磁体制备了低温下具有高热导率和高粘结性能的环氧树脂复合材料。针对高温超导磁体YBCO的性能退化问题,研究了冷热循环与失去超导性两种场景下,环氧树脂封装对YBCO超导带材性能的影响。通过微观结构观察揭示了性能退化的机制,利用模型计算了热应力分布,提出了一种用于解决YBCO超导磁体性能退化的方法。本文主要的研究内容和结论如下:(1)为解决环氧树脂强度较低的问题,本文首先测试了目前四种超导磁体封装用环氧树脂的关键性能,综合表现较好的环氧树脂具有7.6%的断裂应变值和60.5 MPa的抗拉强度。以此为基础,通过选用具有较低粘度的树脂基体,能够改善性能的固化剂、稀释剂以及粘结增强剂,设计了多种新型环氧树脂配方,研究了各成分对环氧树脂性能的影响。采用两种固化剂同时添加的方式,制备了韧性较好,抗拉强度大幅提高至83.1 MPa且具有较高玻璃化转变温度、较低粘度的环氧树脂,该新型配方能够减少裂纹的产生从而降低磁体失去超导性的可能,适用于封装Nb3Sn低温超导磁体。(2)为制备韧性更好的环氧树脂,本文选用强度和弹性模量高、比表面积大、热导率高且电绝缘性能优异的二维氮化硼纳米片作为增韧填料。通过超声处理、行星式离心混合,结合加入气相法制得的氧化铝添加剂的方法,解决了氮化硼纳米片的团聚与沉积问题,成功制备了纳米填料分散均匀的环氧树脂复合材料。测试表明添加剂含量为1wt%时能充分起到促进纳米片分散的作用,相对于其他形态的氮化硼填料,纳米片具有较好的增韧效果,当纳米片含量为0.5 wt%时,断裂应变值与环氧树脂基体相比提升了 48.7%。微观结构观察揭示了较低含量时的主要增韧机理为裂纹偏转,较高含量时为微裂纹的产生、长大与空穴效应。制备的纳米复合材料由于韧性较好且具有良好综合性能,可作为Nb3Sn低温超导磁体封装材料,用以解决环氧树脂易于产生裂纹的问题。(3)为提高环氧树脂热导率,本文利用行星式离心混合的方法成功制备了分散均匀的氮化硼单晶微米片/环氧树脂复合材料,并利用多巴胺表面改性方法提高了填料与环氧树脂基体的界面结合强度。当氮化硼微米片含量为20vol%时,室温下热导率由纯环氧树脂的0.24W/(m·K)提高至复合材料的1.17W/(m·K),100K时复合材料热导率为纯环氧树脂的1.92倍。为准确地预测复合材料热导率,修正了 Lewis-Nielsen模型。当填量为5 vol%、10 vol%、20 vol%时,计算偏差由原模型的29.5%、40.5%、31.6%分别减小到10.7%、14.3%、10.4%。77 K下20 vol%的表面改性填料使剪切强度由纯环氧树脂的4.3 MPa提升至7.6MPa。具有高热导率、高粘结性能的复合材料解决了环氧树脂低温下难以传热且易于脱粘的问题,适用于NbTi低温超导磁体封装。(4)为解决YBCO高温超导磁体的性能退化问题,本文测试了环氧树脂对YBCO超导带材性能的影响。对于未封装环氧树脂的带材,失超过程中的最高容许温度超过690K。对于封装未经填料改性的环氧树脂,三次冷热循环后临界电流下降约45%。虽然冷热循环对填料改性环氧树脂封装的带材性能影响不大,但该种带材在失超过程中却出现了严重的损坏,最高容许温度小于150K。微观结构分析和应力计算模型揭示了带材性能退化主要是由于集中在带材边缘的剪切和剥离应力引发的层间分离以及局部温度过高导致的带材烧损。此外,本文提出了一种在带材表面涂覆脱模剂的方法,实验结果表明该方法能够解决YBCO超导带材的性能退化问题。
其他文献
随着我国经济的迅猛发展,城市化进程不断加快,机动车保有量快速增加,直接导致交通事故数量逐年攀升,交通安全问题越来越被人们关注。车辆中人员和关键设备的安全已成为关注热点。由于大部分交通事故均由碰撞产生,为了提升汽车等交通工具的安全性能,如何提高能量吸收装置在碰撞事故中的吸能效果已成为汽车制造领域的关键技术之一。金属薄壁结构是吸能装置中应用最广泛的基本结构,该结构可在轴向冲击下发生塑性变形吸收大量能量
风电塔结构为了最大限度地利用风能而朝着大型化发展,它作为一种高耸柔性结构,除了承受自身运转的振动外,还要受到更加严酷的外部环境荷载的影响。风电产业的爆发式增长态势导致风电塔已难以避开地震区,地震作用同样对其影响强烈。因此,如何采用有效措施,智能、高效、经济地降低风电塔结构的动力响应已成为工程结构减震控制中一个重要问题,对提高此类生命线工程在地震等自然灾害作用下的可靠性具有重要研究意义和经济价值。风
具有直流励磁的开关磁阻电机(Switched Reluctance Motorwith DC Excitation,SRDC)是一种定子励磁的双凸极同步电机.它继承了开关磁阻电机结构简单可靠的优点;采用永磁同步电机的矢量控制方式,可获得良好的静动态特性,并降低控制器的成本和体积;还可以通过调节励磁,实现宽调速运行。在稀土资源日趋枯竭的今日,这种无需使用永磁体的高性能电机系统,具有良好的应用前景。然
“国际湿地城市”,已作为全球各个国家或地区青睐的世界级绿色城市名片.在淮安积极申报“国际湿地城市”的现实背景下,本文以城市居民为调查样本,对其参与“国际湿地城市”申报的态度和湿地亲环境行为进行测量和评价,试图揭示人们对于政府倡导行为的参与和支持意愿以及可持续发展理念和生态环保意识.基于300份淮安城市居民的样本数据,实证分析结果表明,居民参与“国际湿地城市”申报态度和湿地亲环境行为均处于中等偏上(
双光梳光谱技术作为一种革命性的精密测量技术,相比于传统的光谱测量技术,其具有高精度、高分辨的快速光谱测量能力,在燃烧诊断、环境检测、生物医疗等领域具有重要的应用价值。目前制约双光梳光谱仪实用化发展的关键在于产生高相干和高稳定性的双光梳光源,然而传统的双光梳光源方案一般需要采用复杂的反馈控制电路,并使其运行在实验室环境下以降低外界环境扰动,这极大程度上限制了双光梳光谱技术在实际户外应用中的发展。被动
随着过度追求经济效益导致的交通运输持续超限运营、设计规范荷载等级标准不断提高、以及长期暴露于干湿、冻融、腐蚀等恶劣服役环境导致的材料性能和界面粘结性能持续劣化,使得已经加固的钢筋混凝土(Reinforced concrete,RC)桥梁继续面临使用性能逐步退化的风险,严重威胁到已加固桥梁的服役寿命。因此,对加固后桥梁长期性能和加固效果进行实时监测和合理评估以及预防性的二次加固具有重要意义。端锚预应
自然界中存在有很多像衍架结构和蜂窝状结构这种复杂拓扑结构。复杂拓扑结构不仅在力学方面表现出最佳性价比的力学机械性能,而且在生物学方面表现出利于细胞生长繁殖的亲和性。因此,复杂拓扑结构在轻量化设计、人造生物体植入等方面得到广泛的应用。得益于3D打印技术的蓬勃发展和推广,复杂拓扑结构的制造和生产已经不是问题,工程力学、生物学和材料学等领域的科学家设计出了越来越多结构丰富,功能各异的复杂拓扑结构。其中,
软刚臂系泊系统(Soft Yoke Mooring System,SYMS)是浅海油气开发的一种重要装备,常见于我国渤海及墨西哥湾海域的油气开发领域。作为一种顺应式海洋平台系泊结构,软刚臂系泊系统利用多铰连接的形式有效减少了海洋环境荷载对生产装备稳定性的作用,近年来软刚臂系泊系统逐渐受到其他海洋开发领域的关注。随着服役时间和服役数量的增长,在役软刚臂系泊系统发生了多次不同形式的失效事件。因此在役系
多孔纳米炭球由于具有对称结构、比表面积高、孔结构可控、热稳定性和化学稳定性好等特点,在吸附、催化、储能、环境和生命医药等领域有着重要的应用。针对实际应用需求的差异化,从化学角度定向设计分子组装过程,实现对多孔纳米炭球结构设计、定向合成和功能集成是科研人员长期不懈的追求。目前多孔纳米炭球领域的核心问题是结构调控和高效制备,难点集中在纳米尺度下尺寸、形貌和结构的精准调控。如何根据实际应用的需要,定向设
光敏染料在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中起着吸收光子并转移电子的作用,是影响电池器件光电转换效率高低的主要因素之一,因此发展新型的光敏染料对电池器件效率提升起着至关重要的作用。本论文通过开发设计不同的稠芳环作为供体,来调节光敏染料能级和拓宽光谱响应,匹配不同类型的电解质提高器件光电转换效率。从强供电性的二噻吩并吡咯(DTP)出发,通过引入不同数量的烷氧基链修饰DTP,获得了具有较负HOMO能级